Costruzioni in legno: proprietà del materiale ed efficienza strutturale

Il materiale e le sue proprietà

Le seguenti 'slides' costituiscono solo una base per lo sviluppo delle lezioni e, pertanto, non sostituiscono i testi consigliati

Il legno strutturale

1/2 Il legno strutturale presenta un'ottima efficienza se paragonato ad altri materiali da costruzione. L'efficienza in termini di resistenza può essere espressa in funzione del rapporto tra la resistenza f e la massa volumica p. L'efficienza in termini di deformazione e stabilità può essere espressa in funzione del rapporto tra il modulo di elasticità E e la resistenza f.

I valori riportati in tabella mostrano che l'efficienza del legno in termini di resistenza è un po' maggiore di quella dell'acciaio ed è sei volte superiore a quella del calcestruzzo armato. L'uso del legno, pertanto, conduce a strutture leggere, con grandi vantaggi in ambito sismico. Tuttavia, l'efficienza del legno in termini di deformazione e stabilità è tre volte inferiore a quella del calcestruzzo armato ed è paragonabile a quella dell'acciaio. Come per l'acciaio, quindi, anche le strutture in legno devono essere sempre controllate nei riguardi delle deformazioni e della stabilità dell'equilibrio.

Comportamento al fuoco del legno strutturale

2/2 Il legno strutturale Al contrario di un pregiudizio comunemente diffuso, le costruzioni in legno hanno un buon comportamento nei confronti del fuoco. Il legno, infatti, brucia molto lentamente, creando uno strato di carbonizzazione al di sotto del quale il materiale rimane efficiente. A differenza dell'acciaio, dove il fuoco determina una rapida perdita di resistenza e quindi crolli veloci e totali, il crollo di una struttura in legno avviene per riduzione delle sezioni resistenti in modo lento e controllato.

Superficie iniziale dell'elemento Limite della sezione trasversale residua det Limite della sezione trasversale efficace dott dehar

Il legno lamellare incollato

1/4 Le travi in legno lamellare incollato sono costituite da tavole ricavate da tronchi, giuntate in lunghezza e sovrapposte in altezza in modo da costituire un fascio collaborante di lamelle. Travi di questo tipo consentono di superare i limiti del materiale di base, riducendo la presenza di difetti e consentendo il superamento di grandi luci. Gli elementi strutturali in legno lamellare, inoltre, possono assumere forme curve e articolate, ampliando così le possibilità della progettazione architettonica e strutturale. Per evitare problemi di deformazione, bisogna controllare che il contenuto di umidità del legno deve essere compreso tra l'8% e il 10%. Prima di poterle incollare, quindi, le tavole devono essere sottoposte a un processo di essiccazione controllata che ne riduce gradualmente l'umidità. Anche l'ambiente in cui avviene l'incollaggio deve avere una temperatura e un'umidità relativa costanti e monitorate.

Preparazione delle lamelle e incollaggio

2/4 Il legno lamellare incollato Preparazione delle lamelle e incollaggio Per ottenere le lamelle della lunghezza desiderata, le tavole sono collegate di testa mediante cosiddetti giunti a dita (finger joints). Inizialmente, le teste delle tavole sono fresate conferendo loro la caratteristica forma a pettine, poi si applica la colla e infine si procede a incastrarle a pressione.

ML RHI L23 個 雙 ML RHI L23 3129 ML: PHI 123 18 . ML RHI L36 ₩₹3-13 ML RHI L36 #83-17 ML RHI, L23 ML .PHIL23 :325-28. Lamelle di abete giuntate pronte per l'incollaggio

Realizzazione della trave

3/4 Il legno lamellare incollato Dopo avere preparato le lamelle si passa alle realizzazione della trave. Lungo ogni lamella viene applicata la resina attraverso un'incollatrice a fili, in maniera da distribuire l'adesivo uniforme- mente e nella sufficiente quantità. L'incollaggio finale avviene in appositi letti di pressaggio, in cui le lamelle vengono poste una sull'altra, fino al raggiungimento dell'altezza desiderata. L'orientamento delle lamelle deve avere il midollo rivolto verso lo stesso lato. La misura della larghezza delle lamelle varia da 10 a 24 cm, mentre lo spessore da 40 a 33 mm. Quando tutte le lamelle di una trave appartengono alla stessa classe di resistenza, la trave si dice omogenea, altrimenti si dice combinata. Le sezioni combinate consentono di ottimizzare l'uso delle lamelle, ponendo quelle con migliori caratteristiche meccaniche all'intradosso e all'estradosso, cioè nelle parti della trave maggiormente sollecitate.

Finitura e durabilità

4/4 Il legno lamellare incollato Dopo l'indurimento, gli elementi sono grezzi e sporchi. Per la loro finitura devono passare attraverso una macchina piallatrice e poi, eventualmente, possono essere sottoposti a ulteriori lavorazioni, manuali o a macchina. Infine, per garantirne la durabilità, gli elementi sono sottoposti a un processo di impregnazione con speciali vernici protettive.

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Pannelli a tavole incrociate - tipo XLAM o CLT

Tra i pannelli a base di legno per uso strutturale, una soluzione costruttiva che si sta diffondendo nel campo dell'edilizia residenziale riguarda il cosiddetto compensato di tavole, più spesso indicato con l'acronimo XLAM (crosslam) o CLT (cross laminated timber). Il pannello è costituito da strati incrociati di tavole incollate, aventi ciascuno uno spessore medio di 2 cm, per uno spessore complessivo fino a 30 cm. I pannelli sono tagliati in base alle esigenze architettoniche, completi di aperture per porte e finestre, e in seguito posti in opera e collegati tra loro con angolari metallici e viti autoforanti. I pannelli possono lavorare sia come piastre, per carichi agenti in direzione ortogonale al loro piano, sia come lastre, per carichi agenti nel loro piano. Con questa tecnica si possono realizzare elementi piani di grandi dimensioni, con una buona stabilità dimensionale e relativamente privi di difetti.

Collegamenti tra elementi strutturali

I collegamenti tra elementi strutturali in legno rivestono un ruolo molto importante nella definizione del sistema strutturale. I collegamenti possono essere realizzati per contatto di superfici in legno, o mediante l'ausilio di elementi metallici (unioni meccaniche).

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Specie legnose per uso strutturale

Conifere

11/5 Le principali specie legnose per uso strutturale sono suddivise in conifere e latifoglie. Le conifere crescono in montagna, dove le temperature sono più fredde. Il loro nome significa portatore di coni, cioè le pigne. Sono chiamate anche aghifoglie perché hanno foglie sottili e appuntite come aghi. Le conifere più diffuse sono l'abete rosso, l'abete bianco, il larice, il pino silvestre, la douglasia, che formano grandi boschi di una sola specie.

Abete rosso Larice

2/5 Specie legnose per uso strutturale Lariceto

3/5 Specie legnose per uso strutturale

• Conifere
• Abete rosso
• Abete bianco
• Larice
• Pino silvestre
• Douglasia

Latifoglie

4/5 Specie legnose per uso strutturale Le latifoglie sono alberi che vivono in pianura, in collina e in bassa montagna, dove il clima è temperato. Il termine latifoglia significa a foglia larga. Le latifoglie più diffuse sono il faggio, la quercia, il frassino, la robinia, il castagno, che formano grandi boschi di una sola specie.

Faggio Frassino Rovere I legni ricavati dalle conifere vengono definiti teneri (softwood secondo la nomenclatura anglosassone), mentre quelli ricavati dalle latifoglie vengono definiti duri (hardwood). Tuttavia, la classificazione in legni teneri e duri è tradizionale e spesso non ha riscontro con la realtà: esistono infatti alcune latifoglie, come balsa e pioppo, i cui legni sono molto più teneri di quelli delle conifere.

5/5 Specie legnose per uso strutturale

• Latifoglie
• Faggio
• Quercia (rovere)
• Frassino
• Robinia
• Castagno

Il materiale

1/3 Il legno da costruzione per uso strutturale si ricava dagli alberi segando longitudinalmente i loro tronchi. Gli elementi così ottenuti si indicano con il termine segati, e possono essere o utilizzati direttamente come elementi strutturali, o sottoposti a successive lavorazioni per la produzione di travi e pannelli lamellari (video 1).

Trave in legno massiccio Trave in legno lamellare Pannello X-lam

Caratteristiche del legno

2/3 Il materiale Il legno possiede caratteristiche che lo differenziano molto dagli altri materiali da costruzione, come:

• la sostenibilità ambientale, in quanto è un materiale naturale e rinnovabile, la cui produzione e trasformazione hanno un basso impatto energetico; la messa a dimora di nuove piante negli spazi lasciati liberi dalle operazioni di taglio permette di ricostruire in tempi relativamente brevi il patrimonio forestale;
• la biodegradabilità, perché è facilmente smaltibile;
• la compatibilità ecologica, perché la sua produzione conduce all'assorbimento di anidride carbonica dall'atmosfera; le piante in vita, infatti, assorbono più anidride carbonica di quella immessa nell'ambiente dal ciclo produttivo;
• le prestazioni energetiche, perché presenta un notevole potere coibente;
• le prestazioni igroscopiche, che consentono al materiale di regolare l'umidità negli ambienti, assorbendola o rilasciandola, così da renderli particolarmente confortevoli;
• la bassa densità, che consente di realizzare strutture leggere, particolarmente adatte per le costruzioni in zone sismiche;
• la velocità e la precisione di montaggio, tipica dei sistemi a secco;
• l'aspetto "gradevole", che consente di evitare costose opere di rifinitura.

Proprietà meccaniche del legno

3/3 Il materiale Con riferimento alle proprietà meccaniche (resistenza e deformazione), il legno è un materiale:

• anisotropo, poiché le sue caratteristiche fisiche e meccaniche cambiano al variare della direzione;
• viscoso, poiché le deformazioni tendono ad aumentare nel tempo;
• resistente, nei confronti delle sollecitazioni di trazione, compressione, flessione e taglio.

Le proprietà meccaniche sono influenzate dalla presenza di difetti, quali nodi e fessurazioni, o da degrado provocato da microrganismi, quali insetti o funghi. Le proprietà meccaniche dipendono anche dal contenuto di umidità, che può causare fessurazioni e deformazioni da ritiro.

La struttura del legno

+1/3 Il legno rappresenta il tessuto del tronco, dei rami e delle radici di un albero. La corteccia rappresenta la parte più esterna del tronco ed è divisa in esterna, o scorza, e in interna, o libro. Tra il libro e il tronco vi è un sottile strato anulare, detto cambio, visibile solo al microscopio, in cui avviene l'accrescimento del legno. La sezione trasversale di un tronco presenta, in generale, una serie di anelli concentrici. Un anello corrisponde alla quantità di legno prodotta dall'albero durante una stagione di crescita. La suddivisione in anelli è dovuta alla differenza tra le cellule che si formano durante la fase iniziale della stagione di crescita e quelle che si formano durante la fase finale. Le prime sono più grandi e hanno la parete più sottile; le altre sono più piccole, hanno la parete più spessa e costituiscono un materiale più denso e più resistente.

Durame Alburno Corteccia Raggi midollari Scorza Midollo centrale Libro o floema Cambio Limite di una cerchia annuale